基于稀疏表示和彈性網(wǎng)絡(luò)的體能訓(xùn)練結(jié)果預(yù)測模型

劉其燚 胡洋 賈晨昱 張堯 賀波 易軍 重慶郵電大學(xué)體育學(xué)院

一、背景分析

2018年6月陳寶生作為教育部長在成都高等教育工作會議里面指出：“學(xué)校體育有“邊緣化”的危險(xiǎn)，體質(zhì)下降和視力下降仍是學(xué)生素質(zhì)的不足；需要加強(qiáng)開展學(xué)生身體健康素質(zhì)把關(guān)和監(jiān)測，把體育工作放入考試制度改革、放入教育現(xiàn)代化評估指標(biāo)體系、放入督導(dǎo)評價(jià)內(nèi)容；需要改良體育教學(xué)，不能“放羊”“跑圈”，做成“教會”“勤練”“常賽”，同時(shí)使學(xué)生增強(qiáng)體質(zhì)、錘煉意志、健全人格，在體育鍛煉中享受樂趣，加大力度發(fā)展素質(zhì)教育。著實(shí)把關(guān)學(xué)校體育工作，深切促進(jìn)體育教學(xué)改革，使學(xué)生綜合素質(zhì)評價(jià)重要指標(biāo)含有運(yùn)動技能和體質(zhì)健康”。可見，提升學(xué)生身心健康已經(jīng)成為我國教育正式邁入的主題時(shí)代。

2015年11月25日，全國第七次監(jiān)測——《2014年全國學(xué)生體質(zhì)與健康調(diào)研結(jié)果》公布，數(shù)據(jù)顯示，全國學(xué)生身體素質(zhì)同近幾年趨勢一樣，依舊下降趨勢，尤其是18—21歲年齡組的男生體力、速度、力量等身體素質(zhì)指標(biāo)均有下降。從學(xué)生體質(zhì)健康網(wǎng)了解得知，近幾年學(xué)生視力不良、體脂過高等體質(zhì)增加，身體素質(zhì)逐步下降，其中速度、力量、關(guān)節(jié)靈活度等身體素質(zhì)明顯下降。可見，使學(xué)生近幾年來身體素質(zhì)下降的是有原因的，傳統(tǒng)體育教以三大球、三小球、各種操類等項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，教學(xué)目標(biāo)主要以學(xué)生掌握運(yùn)動技能為主，對學(xué)生的基本身體素質(zhì)安排內(nèi)容單一，導(dǎo)致課程運(yùn)動量和運(yùn)動強(qiáng)度不能滿足學(xué)生正常需求，所以，本研究將體適能融入體育課程項(xiàng)目中來豐富教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，到達(dá)體育課堂“流汗”的教學(xué)目標(biāo)，增強(qiáng)學(xué)生身體素質(zhì)，強(qiáng)化教學(xué)理念，提升教學(xué)效果，從意識上解決學(xué)生身體素質(zhì)不樂觀問題，從根本上來改變當(dāng)前大學(xué)體育課程單一的教學(xué)模式。

2019年教育部印發(fā)《關(guān)于深化本科教育教學(xué)改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見》，指出，嚴(yán)把考試和畢業(yè)出口關(guān)，堅(jiān)決反對“清考”行為，《國家學(xué)生體質(zhì)健康標(biāo)準(zhǔn)》不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)者不能畢業(yè)。所以，在新時(shí)代教育部對高校課堂教學(xué)質(zhì)量和大學(xué)生體質(zhì)狀態(tài)兩大高標(biāo)準(zhǔn)和嚴(yán)要求下，打造高校體育教學(xué)的“金課”、杜絕“水課”，使建立的課堂教學(xué)質(zhì)量評價(jià)體系科學(xué)化，提高體育課堂教學(xué)質(zhì)量，也是應(yīng)有之義。

二、相關(guān)概念

彈性網(wǎng)絡(luò)。彈性網(wǎng)絡(luò)作為一種不斷迭代的方法，它是結(jié)合了Lasso算法和Ridge算法，這兩個(gè)算法在代價(jià)函數(shù)中各占一定比例。到現(xiàn)在，彈性網(wǎng)絡(luò)主要被用在數(shù)據(jù)聚類的問題上，這也是彈性網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢所在。主要原理是利用彈性網(wǎng)絡(luò)算法可以得到數(shù)據(jù)的[k]個(gè)中心點(diǎn)，并將這些點(diǎn)作為聚類初始中心點(diǎn)，然后用局部搜索擇優(yōu)，使每次迭代更新中心點(diǎn)。彈性網(wǎng)絡(luò)算法與傳統(tǒng)算法相比較，能更為有效的提高聚類質(zhì)量。彈性網(wǎng)絡(luò)能永遠(yuǎn)得出有效解，而且得出的解都比較好，同時(shí)相比其他算法，彈性網(wǎng)絡(luò)算法的收斂速度也很不錯(cuò)。舉個(gè)例子，對于一個(gè)隨機(jī)產(chǎn)生的50個(gè)城市的運(yùn)動員問題，用其他演算法處理可能要收斂1000次以上，而最優(yōu)化的彈性網(wǎng)絡(luò)算法能將收斂次數(shù)降到幾十次。

三、研究對象與方法

（一）研究對象

重慶郵電大學(xué)2019級必修體育“體適能”課程7個(gè)班的學(xué)生作為測試對象。實(shí)驗(yàn)組：6個(gè)班，學(xué)生212人（男：174人，女：38人）；對照組：一個(gè)班，31人（男：12人，女：19人）

（二）研究方法

1.文獻(xiàn)法

通過在學(xué)校圖書館、萬方、中國知網(wǎng)等進(jìn)行文獻(xiàn)的搜索與參考，結(jié)合搜索出的研究成果，來探析基于稀疏表示和彈性網(wǎng)絡(luò)的體能訓(xùn)練結(jié)果預(yù)測模型。

2.調(diào)查法

運(yùn)用訪談、問卷、測驗(yàn)等科學(xué)方式，了解“體適能”課程7個(gè)班學(xué)生的身體情況和體能狀況，并進(jìn)行記錄。

3.實(shí)驗(yàn)法

對“體適能”課程7個(gè)班的學(xué)生的體能狀況進(jìn)行研究與分析，其次對實(shí)驗(yàn)組本校公共體育212人（男：174人，女：38人）參加“體適能”課程的同時(shí)進(jìn)行專項(xiàng)體能訓(xùn)練的實(shí)驗(yàn)，對照組本校31人（男：12人，女：19人）參加“體適能”課程但不訓(xùn)練。實(shí)驗(yàn)組與對照組實(shí)驗(yàn)周期為2個(gè)月，2個(gè)月后進(jìn)行數(shù)據(jù)對比。

4.定量分析法

運(yùn)用SPSS軟件和Excel進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與數(shù)據(jù)處理，從而得到預(yù)測模型與分析結(jié)果。

四、研究結(jié)果與分析

（一）實(shí)驗(yàn)組與對照組對比

1.實(shí)驗(yàn)對象對比

實(shí)驗(yàn)組：6個(gè)班；本校公共體育212人（男：174人，女：38人）

對照組：一個(gè)班；本校公共體育31人（男：12人，女：19人）

實(shí)驗(yàn)組與對照組都是本次實(shí)驗(yàn)前未受過專業(yè)體能訓(xùn)練的本校2019級學(xué)生。為減少實(shí)驗(yàn)誤差，實(shí)驗(yàn)對象是經(jīng)過體能測試得到數(shù)據(jù)后，根據(jù)數(shù)據(jù)分成的實(shí)驗(yàn)組和對照組，兩組學(xué)生的身體能力水平不存在顯著性差異。

2.實(shí)驗(yàn)對象訓(xùn)練方式對比

實(shí)驗(yàn)組的體能訓(xùn)練計(jì)劃是特化體適能訓(xùn)練，主要以強(qiáng)化核心力量，上下肢力量、心肺能力水平的為主，運(yùn)用多種器材進(jìn)行輔助訓(xùn)練。對照組只進(jìn)行體適能課程的訓(xùn)練，只具備最基本的輔助器材。具體如表1。

表1 訓(xùn)練詳細(xì)

實(shí)驗(yàn)組所進(jìn)行的特化體適能訓(xùn)練內(nèi)容：熱身托尼訓(xùn)練、杠鈴蹲起訓(xùn)練，樓梯跑訓(xùn)練、樓梯跳訓(xùn)練、弓步跳訓(xùn)練、后蹬跑訓(xùn)練、后肌靜拉訓(xùn)練、雙腿繞欄，鉆欄組，收腳跳欄等。

實(shí)驗(yàn)組和對照組所進(jìn)行的體適能課程內(nèi)容：tabata練習(xí)。

（二）實(shí)驗(yàn)前后數(shù)據(jù)分析與討論

1.實(shí)驗(yàn)前后體測數(shù)據(jù)變化結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)前假設(shè)：對照組學(xué)生實(shí)驗(yàn)前后部分項(xiàng)目有顯著性差異，部分項(xiàng)目無顯著性差異；實(shí)驗(yàn)組學(xué)生實(shí)驗(yàn)前后所有項(xiàng)目成績有提升，且所有項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)前后有顯著性差異。

由表2得，對照組50米跑、1000米跑（男）、一分鐘仰臥起坐（女）成績略有上升，立定跳遠(yuǎn)、坐位體前屈、800米跑（女）、引體向上（男）成績略有下降；50米跑和1000米跑實(shí)驗(yàn)前后無顯著性差異（P＞0.05），立定跳遠(yuǎn)、坐位體前屈、800米跑（女）、一分鐘仰臥起坐（女）、引體向上（男）實(shí)驗(yàn)前后有顯著性差異（P＜0.05），由此得出對照組并不是所有項(xiàng)目都有顯著性提升。

由表2得，實(shí)驗(yàn)組所有項(xiàng)目成績都有一定程度提高，實(shí)驗(yàn)前后有顯著性差異（P＜0.01）。

表2 體測指標(biāo)在實(shí)驗(yàn)組、對照組前后計(jì)算結(jié)果（平均值）

以上分析得出，假設(shè)成立。

總結(jié)：有計(jì)劃有針對的體能訓(xùn)練對提高各項(xiàng)身體能力提升具有重要作用。

2.實(shí)驗(yàn)組學(xué)生訓(xùn)練前后成績的線性關(guān)系分析

由表3看出實(shí)驗(yàn)前后的七項(xiàng)體測數(shù)據(jù)呈正相關(guān)（ρ＞0），其 中50米 跑（R2=0.927）、立 定 跳 遠(yuǎn)（R2=0.968）、坐 位 體前屈（R2=0.955）、一分鐘仰臥起坐（R2=0.927）、引體向上（R2=0.957）這五個(gè)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)所構(gòu)成的回歸方程擬合程度高；實(shí)驗(yàn)組訓(xùn)練前和訓(xùn)練后之間的線性關(guān)系顯著（七項(xiàng)體測數(shù)據(jù)均P＜0.001）。

表3 實(shí)驗(yàn)組訓(xùn)練前后數(shù)據(jù)線性關(guān)系分析表

五、模型建立與求解

（一）準(zhǔn)備階段

見圖1。

圖1 準(zhǔn)備階段圖

（二）實(shí)現(xiàn)階段

見圖2。

圖2 實(shí)現(xiàn)過程流程圖

1.第一階段

（1）進(jìn)行第一階段體能訓(xùn)練

（2）測得訓(xùn)練后數(shù)據(jù)并與原始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸總

（3）對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并剔除異常值

（4）通過嵌入式選擇和彈性網(wǎng)絡(luò)建立模型

（5）代入數(shù)據(jù)使用ADMM算法迭代求解

（6）得出最終預(yù)測模型，并驗(yàn)證擬合可靠性，結(jié)束第一階段

（7）再次預(yù)測數(shù)據(jù)，并作為第二階段原始數(shù)據(jù)，并預(yù)測數(shù)據(jù)

2.第二階段

（1）開始第二階段體能訓(xùn)練

（2）測出第二階段訓(xùn)練后的實(shí)際數(shù)據(jù)

（3）將實(shí)際數(shù)據(jù)與預(yù)測數(shù)據(jù)進(jìn)行殘差分析，并進(jìn)一步驗(yàn)證模型可靠性

（4）通過模型所得擬合曲線對訓(xùn)練方法進(jìn)行評價(jià)分析并結(jié)束第二階段

（5）根據(jù)特征選擇權(quán)重系數(shù)優(yōu)化模型

（三）求解階段

根據(jù)男生和女生訓(xùn)練情況圖3可以看出，點(diǎn)都在y=x直線上方，又因?yàn)閤代表訓(xùn)練前分?jǐn)?shù)，y代表訓(xùn)練后分?jǐn)?shù)，可知點(diǎn)上方均y＞x，即訓(xùn)練后分?jǐn)?shù)均大于訓(xùn)練前分?jǐn)?shù)。同時(shí)會看出x越低，與直線距離越遠(yuǎn)，即提高越多，反映在實(shí)際情況，所代表的正是低分?jǐn)?shù)，經(jīng)過2個(gè)月的訓(xùn)練，更容易提高，該現(xiàn)象符合客觀規(guī)律。同時(shí)因?yàn)樵摽陀^規(guī)律，我們在數(shù)據(jù)擬合前，先對數(shù)據(jù)對數(shù)化，保證增長先快，后慢，再趨于不變，最后我們通過彈性網(wǎng)絡(luò)，得到擬合直線。

圖3 訓(xùn)練情況與訓(xùn)練擬合情況圖示

六、結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)組與對照組的體測訓(xùn)練數(shù)據(jù)可以得出，對照組過少的體適能訓(xùn)練并不能讓身體能力得到明顯提升，而通過制定計(jì)劃提高了訓(xùn)練頻率和強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)組的體適能訓(xùn)練能讓身體各方面能提得到明顯提升，效果表現(xiàn)更為顯著。

通過完整的實(shí)驗(yàn)對照分析、模型建立求解，并基于稀疏表示和彈性網(wǎng)絡(luò)的體能結(jié)果預(yù)測模型得到的擬合直線，能在很大程度上預(yù)測體適能訓(xùn)練后身體素質(zhì)增長的趨勢與程度，能為將來新制定的體適能計(jì)劃提供參考，提高訓(xùn)練效率、強(qiáng)化訓(xùn)練效果。